معلومة

طوبولوجيا الحمض النووي الدائري المغلق

طوبولوجيا الحمض النووي الدائري المغلق


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

لماذا توجد DNA البلازميد الدائرية المغلقة تساهميًا بشكل طبيعي في حالة تحت الجرح؟

هل لأن هذا يجعل من السهل على آلية استنساخ الحمض النووي الوصول إلى الحمض النووي وفكه؟ أم أن السبب في ذلك هو أن الحالة السفلية أكثر مواتاة من الناحية النشطة من حالة الجرح؟


لا يتم لف الحمض النووي بشكل سلبي دائمًا بشكل طبيعي. من المهم أن تضع في اعتبارك أن المناطق المختلفة من الحمض النووي المقيد طوبولوجيًا يمكن أن يكون لها قيم مختلفة للفائق الفائق. على سبيل المثال ، يقدم عمل تفكيك الحمض النووي للنسخ أو التكرار لفائف فائقة إيجابية قبل البوليميراز والفائق السالب خلفه.

بالإضافة إلى ذلك ، يوجد الالتفاف الفائق في الحمض النووي بشكل طبيعي. ينتج الالتواء الفائق عن التواء أكثر أو أقل في حلزون الحمض النووي ، والذي يكون أكثر ثباتًا عندما يكون لديه ~ 10.5 نقطة أساس / دورة (لـ B-DNA). يسمح الالتواء الفائق للحمض النووي تحت أو فوق الجرح بالعودة إلى أكثر التواءات ثباتًا. الالتفاف السلبي هو نتيجة الحمض النووي تحت الجرح. الحمض النووي تحت الجرح ليس ملائمًا من الناحية الديناميكية وسيخفض في الواقع نقطة انصهار الحمض النووي (النقطة التي يحدث فيها فصل الخيوط). يمكن تعويض هذا عن طريق إدخال ملفات supercoils ولكنه مهم أيضًا لعمليات مثل النسخ ، والتي تتطلب ssDNA. يمكن اعتبار الملفات الفائقة السلبية و ssDNA قابلة للتبديل. تُستخدم الملفات الفائقة السالبة أيضًا لتعبئة الحمض النووي حول الهيستونات في حقيقيات النوى والعتائق. من ناحية أخرى ، فإن الالتفاف الفائق الإيجابي هو نتيجة لفوق الحمض النووي (وهو أيضًا ليس ملائمًا للديناميكا الحرارية) وسيزيد من نقطة انصهار الحمض النووي. غالبًا ما يوجد الالتفاف الفائق الإيجابي في الحرارة التي تعيش في درجات حرارة أعلى وتحتاج إلى منع الحمض النووي الخاص بها من الذوبان بشكل مفرط. كما تم اقتراح أن الالتفاف الفائق الإيجابي يمكن أن يلعب دورًا في تنظيم التعبير الجيني (عن طريق تثبيط ذوبان المحفز). تحب الكائنات الحية الاحتفاظ بكمية ثابتة تقريبًا من الالتفاف الفائق في حمضها النووي للأسباب المذكورة أعلاه ؛ وهذا ما يسمى الكثافة الفائقة وهي خاصية لفئات مختلفة من الكائنات الحية.


البيولوجيا الجزيئية 04: "بنية الحمض النووي وطوبولوجيا"

أثار هيكل اللولب المزدوج لواتسون وكريك سؤالين سنناقشه اليوم:

  1. كيف تتعرف البروتينات على مواقع ارتباط الحمض النووي؟
  2. كيف يمكن للبروتينات الوصول إلى خيوط الحمض النووي الفردية؟

سيتم التطرق إلى السؤال 1 اليوم واستكشافه بمزيد من التفصيل في المحاضرة 05. يتفرع السؤال 2 إلى جانبين: (أ) طوبولوجيا الحمض النووي المفهوم البيولوجي ، و (ب) طوبولوجيا الحمض النووي أداة لفهم كيفية عمل البروتينات التي تغير بنية الحمض النووي.

مراجعة حقائق الحمض النووي

الحاملان للحلزون المزدوج للحمض النووي هما مضادان للتوازي. عندما يتم دمج dNTP الحر في الحمض النووي بواسطة بوليميريز الحمض النووي ، فإنه يفقد اثنين من الفوسفات. متوسط ​​وزن dNMP ، كما هو مدمج في DNA ، هو 330 Da. تحتوي روابط G: C على ثلاث روابط هيدروجينية ، وبالتالي درجة حرارة انصهار أعلى للحمض النووي الغني بالـ GC. العمود الفقري للفوسفات في الحمض النووي مشحون سلبًا ، لذلك تتنافر الوحدات المتتالية مع بعضها البعض. لكنها تستقر بالتفاعلات مع الماء ومع الكاتيونات الذائبة في الماء (Na + و K + و Mg +). بالنسبة للقواعد ، فإن الاقتران الأساسي يرضي جميع الروابط الهيدروجينية الممكنة ، باستثناء الماء من داخل اللولب. ومع ذلك ، يمكن حتى للحمض النووي أحادي السلسلة أن يرضي جميع روابطه الهيدروجينية بفضل الماء ، لذا فإن الرابطة الهيدروجينية ليس القوة الدافعة الرئيسية لعملية التلدين. بدلاً من ذلك ، يتم تحريك التلدين بواسطة van der Waals والتفاعلات الكهروستاتيكية بين القواعد المتتالية بسبب تكديس حلقاتها العطرية.

يُعد اقتران قاعدة الحمض النووي تعاونيًا: حيث يؤدي اقتران زوج واحد من القواعد إلى تقريب الزوج التالي من بعضهما البعض ، مما يقلل من الطاقة بالنسبة لهما للاقتران أيضًا. يؤدي اختلال القواعد إلى عقوبة نشطة ، حيث لا يمكن للقواعد غير المتطابقة أن تتزاوج مع بعضها البعض ولا مع الماء (لأن أزواج القواعد المجاورة تستبعد الماء من داخل اللولب).

الحلزون المزدوج للحمض النووي العادي (الشكل ب) هو

عرض 20Å (2 نانومتر) وكل زوج أساسي يبلغ ارتفاعه 3.3. هناك 10.4 نقطة أساس لكل دور ، من أجل "درجة حرارة" تبلغ 34 درجة مئوية. يمثل كل زوج أساسي 360 درجة / 10.4 نقطة أساس = 34.6 درجة من الدوران ، مما يخلق أخدودًا صغيرًا وأخدودًا رئيسيًا. الحمض النووي من النوع B هو حلزون أيمن ، مما يعني أنه إذا كان سلمًا حلزونيًا ، فستتمسك بـ حديدي مع الخاص بك حق يدك كما تذهب الطابق العلوي. الحمض النووي ذو الشكل Z ، وهو أمر نادر ، هو حلزون أعسر. هناك أيضًا الحلزون A-form ، الذي لن تتشكل dsDNA النقي إلا في ظروف لا يوجد فيها ماء تقريبًا ، لكن الهجينة dsRNA و DNA-RNA تتبنى بشكل روتيني الشكل A. تختلف هياكل الشكل A و Z اختلافًا عميقًا عن الشكل B - انظر هذا الجدول. لا يزال هناك جدل حول ما إذا كان الحمض النووي على شكل Z له أي دور فسيولوجي. يمكن أن يحتوي جزيء dsDNA نفسه فقط على شكل B في مقطع واحد وشكل Z في مقطع آخر إذا كان به مساحة مفتوحة غير ملدنة بينهما. لذلك تم الافتراض بأن dsDNA في بعض الأحيان يتبنى شكل Z من أجل الحفاظ على نافذة متدحرجة من الحمض النووي غير الملدن.

على الرغم من أننا تحدثنا أعلاه عن بنية الحمض النووي كما لو كانت ثابتة ، إلا أنه في الواقع يمكن لأشياء كثيرة مثل مقسمات الجزيئات الصغيرة والبروتينات المرتبطة بالحمض النووي تغيير هيكلها.

كشفت تجارب تمديد قوة الحمض النووي أن ssDNA و dsDNA لهما خصائص مختلفة. يتصرف dsDNA مثل قضيب صلب يصل إلى حوالي 50 نانومتر (وهو طوله البلوري) ، بينما يفقد ssDNA صلابته عند

2nm من التمديد. تسمى هذه الكميات "أطوال الثبات" للجزيئات.

يبلغ ارتفاع الأخدود الصغير 5.7 درجة وعمق 7.5 درجة ، بينما يبلغ ارتفاع الأخدود الرئيسي 11.7 درجة وعمقه 8.5 درجة. يمكن أن ترتبط البروتينات بسهولة أكبر في الأخدود الرئيسي. يحتوي الأخدود الرئيسي أيضًا على المزيد من المعلومات الكيميائية المتاحة للبروتينات ، في حين أن بعض الأزواج تتدهور في الأخدود الصغير. دعونا نحدد:

  • A = متقبل رابطة الهيدروجين
  • D = المتبرع برابطة الهيدروجين
  • M = مجموعة الميثيل
  • H = الهيدروجين الذي لا يوفر الترابط

ثم المجموعات المعرضة للأخاديد الرئيسية والثانوية في أزواج مختلفة هي كما يلي:

الاقتران رائد تحت السن القانوني
في أ د أ م أ ح أ
T: أ م أ د أ أ ح أ
G: ج أ د ح أ د أ
ج: زاي H D A A أ د أ

تحتوي البكتيريا على كروموسوم دائري واحد بترتيب 4Mbp. ومع ذلك ، ينقسم الجينوم الخاص بهم في الواقع إلى مجالات منفصلة طوبولوجيا مختلفة في المتوسط

10 كيلو بايت لكل منهما. تم اكتشاف ذلك من خلال التجارب التي تخدش الحمض النووي للسماح لأجزاء منه بالاسترخاء [Postow 2004]. هذا التقسيم إلى مجالات طوبولوجية منفصلة بسبب البروتينات المرتبطة بالحمض النووي ، مما يؤدي إلى ظهور الالتفاف الفائق. عندما يتم لف بلازميد دائري عدة مرات ، فإنه يمكن أن يخفف بعض إجهاده الطوبولوجي من خلال تشكيل plectoneme الذي يشبه ∞. تسمى الفلكونات العسراء "الملفات الفائقة الإيجابية" وتسمى تلك الموجودة في اليد اليمنى "الملفات الفائقة السلبية".

عندما تكون نهايات الحمض النووي مقيدة ، على سبيل المثال في كروموسوم دائري ، يؤدي فصل الخيوط إلى إجهاد طوبولوجي - الأجزاء المجاورة للجزء المنفصل سوف تكون ملفوفة فائقة ، مما يؤدي إلى فلكونات.

  • لوك هو رقم الربط - عدد المرات التي يتم فيها "ربط" خيطين ، حيث يكون 0 عبارة عن شيئين غير متصلين و 1 دائرتان متصلتان ببعضهما البعض. يمكن حساب Lk عن طريق حساب العدد الإجمالي لمرات تقاطع خصلة مع الأخرى ، ثم القسمة على اثنين. بالنسبة إلى dsDNA ، فإن Lk هو ببساطة عدد المرات التي يمر فيها خيط مكون واحد على الآخر. هناك قواعد حول Lk:
    1. Lk دائمًا عدد صحيح
    2. Lk ثابت طوبولوجيًا. يمكن أن يتغير فقط عندما تكسر خصلة.
  • Tw هو عدد التقلبات. بالنسبة إلى dsDNA من النوع B ، يتم تقليل الطاقة إلى الحد الأدنى عندما يكون هناك 1 Tw لكل 10.4bp.
  • Wr يتلوى. هذا هو عدد المرات التي يعبر فيها الحمض النووي نفسه في ملف فائق.

عندما يكون الحمض النووي غير مقيد ، يتبنى التشكل الذي ينتج عنه Tw الأمثل. تؤدي التناقضات بين Lk و Tw الأمثل إلى تغييرات في Wr ، تُعرف باسم supercoiling.

بالنسبة لبلازميد دائري 3 كيلو بايت ، على سبيل المثال ، سيكون Tw دائمًا حوالي 300. الحافز النشط لإبقاء Tw قريبًا من الطول / 10.4 مرتفع جدًا بحيث يتم تعويض أي تغيير في Lk دائمًا عن طريق تغيير في Wr بدلاً من Tw.

لنأخذ مثالًا ثانيًا ، قطعة 400 زوج قاعدي من dsDNA الخطي مثبت في كلتا النهايتين. يبدأ بـ Lk = 40 ، Tw = 40 ، Wr = 0. إذا قمنا "بإفراط" 3 دورات ، فإن Lk = 43 و Wr سيرتفع وفقًا لذلك إلى +3. Wr = +3 يسمى الملف الفائق الإيجابي ، وهو أعسر.

توجد جميع الجينومات تقريبًا في حالة ملفوفة سالبة. فكر في بلازميد دائري بحجم 1 كيلو بايت ، حيث يحتاج هليكاز الحمض النووي إلى فك 10 نقاط أساس للقيام بشيء ما. في 990 نقطة أساس المتبقية ، ستكون Lk = 100 ، Tw = 99 ، Wr = +1. مع تزايد عدد الطائرات المروحية التي تعمل على الحمض النووي ، يصبح الالتفاف الإيجابي أكثر شدة ، مما يجعل مهمة الهليكاز أكثر صعوبة. بدلاً من ذلك ، من المرغوب فيه الحفاظ على الحمض النووي في حالة ملفوفة سالبة بشكل افتراضي ، بحيث تتحرك الهليكس في الواقع بقوة إلى أسفل المنحدرات عندما تفك الحمض النووي ، مما يخفف الضغط الطوبولوجي. في البكتيريا ، يقوم إنزيم يسمى gyrase بإنفاق ATP من أجل سلبًا لفائف الحمض النووي عن طريق شقها وتحويلها وإعادة ربطها.

هناك نوعان من الالتفاف الفائق ، يُطلق عليهما plectonemic و solenoidal. في الأخير ، يتم لف الحمض النووي حول شيء ما (على سبيل المثال ، جسيم نووي) ، لكن الهيكل الأساسي هو نفسه. تقوم حقيقيات النوى بلف الحمض النووي حول النيوكليوسومات لإدخال ملف فائق سلبي بدلاً من استخدام الجيراز.

ينتج عن التفاف الملف اللولبي الأيسر لجزء واحد من الحمض النووي حول الهيستونات اسم plectoname الأيسر (ملف فائق إيجابي) في بقية الحمض النووي ، للحفاظ على رقم الارتباط. لتخفيف هذا الضغط ، هناك حاجة إلى الإيزوميراز العلوي لفك تلوي بقية الحمض النووي. على عكس الجيروسات البكتيرية ، لا تحتاج الإيزوميراز العلوي إلى ATP - فهي تستخدم الطاقة الموجودة في الحمض النووي فائق الالتفاف لقطع الحمض النووي وإعادة ربطه.

إن تشكيل الحمض النووي له أهمية عملية في المختبر. في الرحلان الكهربائي لجيل الحمض النووي ، ستهاجر دائرة استرخاء مغلقة بشكل أبطأ. سيعمل الحمض النووي الخطي بشكل أسرع. سيعمل الحمض النووي الفائق الالتفاف أسرع من الحمض النووي الخطي لأن حجمه المعرض للجيل أصغر. كلما زاد الالتفاف ، زادت سرعة تشغيله. يعمل بروميد الإيثيديوم ، عن طريق إقحام الحمض النووي ، على إرخاء انحناء لولب الحمض النووي من 34.6 درجة إلى 10 درجات فقط. تذكر أنه يتم حفظ Lk في حالة عدم وجود خيوط تكسير ، لذلك لا ينتج عن ذلك انخفاض في Lk. هذا يقلل بدلاً من ذلك Tw ويزيد Wr ، مما يؤدي إلى إدخال supercoils موجبة. اتجاه التأثير هو نفس اتجاه فك الحمض النووي باستخدام هيليكاز.

حول إريك فالاب مينيكيل

Eric Vallabh Minikel في مهمة مستمرة مدى الحياة للوقاية من مرض البريون. وهو عالم في معهد برود في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة هارفارد.


طوبولوجيا الحمض النووي الدائري المغلق - علم الأحياء

الحمض النووي الهيكل والطوبولوجيا

1. افهم الفرق بين الأخدود الكبير والصغير. ترتبط بروتينات محددة مرتبطة بالحمض النووي DNA بشكل أساسي من خلال روابط الهيدروجين في الأخدود الرئيسي لـ B- DNA.

أ) لماذا قد يكون الربط الخاص بالتسلسل أكثر شيوعًا في الأخدود الرئيسي منه في الأخدود الصغير؟

ب) ما هي اتصالات الرابطة الهيدروجينية التي يمكن أن تصنعها البروتينات مع القواعد الموجودة في الأخدود الرئيسي؟ هل هذه مختلفة عن تلك الموجودة في الأخدود الصغير؟

2. لخص الاختلافات بين A- و B- و Z- DNA. تحت أي ظروف مذيب تتوقع أن تجد كل واحد؟ ما هو التسلسل العام للقواعد الموجود في مقاطع الدنا التي يُعتقد أنها في بنية Z- DNA؟

1. كن مستعدًا لشرح القوى المختلفة التي تشارك في تثبيت الحمض النووي.

2. ما هي الآليات التي يتم من خلالها تقييد مرونة الحمض النووي؟

3. كن قادرًا على التعرف على المعلمات المختلفة التي تساهم في المرونة التوافقية للحمض النووي إذا تم إعطاؤك الهياكل. (على سبيل المثال: c -angle ، زوايا التواء العمود الفقري ، التوجهات المتزامنة والمضادة للكتلة ، مطابقة سكر النوكليوتيدات ، إلخ)

1. فهم جيدًا آليات عمل النوع الأول (كل من IA و IB) والنوع II Topoisomerases.

2. يميز بين & quotcontrolled rotation & quot آلية وآلية & quotstrand pass & quot ومعرفة الآلية المستخدمة للنوع IA والنوع IB والنوع II Topoisomerases.

3. اشرح بإيجاز آليات عمل سيبروفلوكساسين ونوفوبيوسين وإيتوبوسيد ودوكسوروبيسين في منع نشاط توبويزوميراز.

4. اشرح المصطلحات التالية: الالتواء ، والتلويح ، واللف الفائق ، ورقم الربط ، وتكون قادرًا على تحديدها لنماذج بسيطة من الحمض النووي.

5. يمكن معايرة اللفائف الفائقة السالبة للحمض النووي باستخدام عوامل الالتفاف & quot ؛ بروميد إيثيديوم ، جزيء مستو ، & quot intercalates & quot بين قواعد الحمض النووي المكدسة ، وبالتالي فك الملفات الفائقة. ومع ذلك ، فإن رقم ربط الحمض النووي لا يتغير. اشرح الأساس المادي لقدرة بروميد الإيثيديوم على & quot؛ تشغيل & quot هذه الملفات الفائقة.

6. لا يحتوي الحمض النووي حقيقيات النوى على نشاط جريز DNA ، كما تفعل البكتيريا. كيف يتم إدخال الملفات الفائقة السالبة في الحمض النووي حقيقية النواة بحيث يمكن ضغط الحمض النووي؟

7. DNA Gyrase و DNA Topoisomerase IA لهما وظائف قطرية في بكتريا قولونية. يشرح.

8. لقد اكتشفت إنزيمًا تفرزه بكتيريا خبيثة بشكل خاص تشق رابطة C2'-C3 في بقايا الديوكسيريبوز للحمض النووي المزدوج. ما هو تأثير هذا الإنزيم على الحمض النووي فائق الالتفاف؟ اشرح اجابتك.

9. يحتوي DNA المزدوج الدائري المغلق على قطعة 100 نقطة أساس من متبقيات C و G بالتناوب. عند النقل إلى محلول يحتوي على تركيز عالٍ من الملح ، يخضع هذا الجزء للانتقال من التشكل B إلى التشكل Z. ما هو التغيير المصاحب في رقم الربط والرقم المتلوي والتواء؟

10. اشرح كيف يمكن إدخال الملفات الفائقة السلبية في الحمض النووي حقيقي النواة ، على الرغم من حقيقة أن الحمض النووي حقيقي النواة ليس له نشاط DNA Gyrase. قد أقدم رسمًا تخطيطيًا لتشكيل غلاف واحد من دنا دائري حول بروتين هيستون ، متبوعًا بإزالة الفائق التعويضي (+). سوف تشرح الخطوات المتبعة ، مع ذكر نوع الإنزيم المعني.

11. عندما يكون المحور الحلزوني للحمض النووي المزدوج الدائري المغلق البالغ 2340 نقطة أساس مقيدًا في الاستلقاء في المستوى ، يكون للحمض النووي انحرافًا قدره 212. عند إطلاقه ، يأخذ الحمض النووي الالتواء الطبيعي البالغ 10.4 نقطة أساس / دورة. حدد قيم & quot Lk & quot و & quot Wr & quot و & quotT & quot لكل من الحالات المطابقة المقيدة وغير المقيدة لدائرة DNA هذه.


حساب أسرار الحياة: مساهمات العلوم الرياضية في علم الأحياء الجزيئي (1995)

للأسف ، لا يمكن طباعة هذا الكتاب من OpenBook. إذا كنت بحاجة إلى طباعة صفحات من هذا الكتاب ، فإننا نوصي بتنزيله كملف PDF.

قم بزيارة NAP.edu/10766 للحصول على مزيد من المعلومات حول هذا الكتاب أو لشرائه مطبوعًا أو لتنزيله كملف PDF مجاني.

يوجد أدناه نص مقروء آليًا غير مصحح لهذا الفصل ، ويهدف إلى تزويد محركات البحث الخاصة بنا والمحركات الخارجية بنص غني جدًا وممثل للفصل يمكن البحث فيه لكل كتاب. نظرًا لأنها مادة غير مصححة ، يرجى اعتبار النص التالي بمثابة وكيل مفيد ولكنه غير كافٍ لصفحات الكتاب الموثوق.

رفع الستارة: استخدام علم الطوب لاستكشاف التأثير الخفي للأنزيمات 203 توفر التقنيات التجريبية مثل علم البلورات بالأشعة السينية والرنين المغناطيسي النووي طرقًا لاستنتاج مسافات دقيقة بين الذرات. ومع ذلك ، فإن هذه الأساليب ليست مناسبة تمامًا لدراسة الآلية الديناميكية التي تعمل بها الإنزيمات. ومن المثير للاهتمام أن الطوبولوجيا يمكن أن تلقي الضوء على هذه القضية الرئيسية. النهج الطوبولوجي للإنزيمات هو بروتوكول تجريبي يتم فيه استخدام القوى الوصفية والتحليلية للطوبولوجيا والهندسة في جهد غير مباشر لتحديد آلية الإنزيم وهيكل مجمعات إنزيم الحمض النووي النشطة في المختبر (في أنبوب اختبار) (واسرمان and Cozzarelli، 1986 Sumners، 1987a). بمجرد فهم بنية الإنزيم وآليته في حالة معملية مضبوطة ، يمكن استقراء هذه المعرفة لآلية الإنزيم في الجسم الحي ، أي في الخلية الحية. الطوبولوجيا هي فرع من فروع الرياضيات المتعلقة بالهندسة. غالبًا ما يتم وصفها بأنها & quot؛ هندسة صفائح المطاط ، & quot لأن التكافؤ الطوبولوجي للمسافات يسمح بتمديد وتقليص ولف كائن ما من أجل جعله مطابقًا لكائن آخر. الطوبولوجيا هي دراسة خصائص الأشياء (الفراغات) التي لم تتغير بسبب التشوهات المرنة المسموح بها. عندما تختلف خاصية طوبولوجية معينة لزوج من المساحات ، عندها يمكن للمرء أن يتأكد من أنه لا يمكن تحويل مساحة واحدة إلى أخرى عن طريق التشوه المرن. تشمل التغييرات التي يمكن أن تنتج مساحات غير متكافئة قطع المساحة وإعادة تجميع الأجزاء لإنتاج مساحة أخرى. إن هذا الكسر الطوبولوجي وإعادة تجميع الحمض النووي بالتحديد هو الذي يميز آلية بعض الإنزيمات الخلوية التي تحافظ على الحياة ، والإنزيمات التي تسهل النسخ والنسخ والتبديل. يصف الفصل 6 جوانب هندسة وطوبولوجيا الحمض النووي ويشير إلى التحولات الطوبولوجية المختلفة التي يجب إجراؤها على الحمض النووي بواسطة الإنزيمات من أجل تنفيذ دورة حياة الخلية. في هذا الفصل ، نصف كيف أثبتت النتائج الحديثة في الطوبولوجيا ثلاثية الأبعاد (Culler et al. ، 1987 Ernst and Sumners ، 1990 Sumners ، 1990 ، 1992) أنها مفيدة في وصف وتقدير عمل هذه الحياة - الحفاظ على الإنزيمات على الحمض النووي. طوبولوجيا الحمض النووي DNA لجميع الكائنات الحية طبولوجيا معقدة ورائعة. يمكن النظر إليه على أنهما منحنيان طويلان للغاية يتشابك فيهما ملايين

رفع الستارة: استخدام علم الطوب لاستكشاف التأثير الخفي للأنزيمات 204 مرة ، المرتبطة بمنحنيات أخرى ، وتخضع لأربعة أو خمسة أوامر متتالية من اللف لتحويلها إلى نموذج مضغوط لتخزين المعلومات. إذا قام أحدهم بقياس نواة الخلية إلى حجم كرة السلة ، فإن الحمض النووي الموجود بداخله يصل إلى حجم خط الصيد الرفيع ، و 200 كيلومتر من خط الصيد هذا داخل كرة السلة النووية. معظم الحمض النووي الخلوي مزدوج الشريطة (مزدوج) ، ويتألف من عمودين فقريين خطيين من السكر والفوسفور بالتناوب. يرتبط بكل جزيء سكر بأحد القواعد الأربعة (النيوكليوتيدات): أ = الأدينين ، T = الثايمين ، C = السيتوزين ، G = الجوانين. يتشكل السلم الذي تكون جوانبه هي العمود الفقري ودرجاته عبارة عن روابط هيدروجينية عن طريق رابطة هيدروجينية بين أزواج القاعدة ، مع الرابطة A فقط مع T ، و C الرابطة فقط مع G. يتم الحصول على تسلسل زوج القاعدة لمقطع خطي من DNA مزدوج القراءة على طول أحد العمود الفقري ، وهي كلمة في الحروف . نظرًا لتفرد شريك الارتباط لكل نيوكليوتيد ، فإن معرفة التسلسل على طول العمود الفقري يعني معرفة التسلسل على طول العمود الفقري الآخر. في نموذج الحلزون المزدوج الكلاسيكي من Crick-Watson للحمض النووي ، يكون السلم ملتويًا بطريقة حلزونية لليد اليمنى ، بمتوسط ​​وثابت تقريبًا يبلغ حوالي 10.5 زوجًا أساسيًا لكل التفاف حلزوني كامل. الملعب الحلزوني المحلي للحمض النووي المزدوج هو وظيفة لكل من تسلسل زوج القاعدة المحلي والبيئة الخلوية التي يعيش فيها الحمض النووي إذا كان جزيء الحمض النووي تحت الضغط ، أو مقيدًا بالعيش على سطح البروتين ، أو يتم التصرف بناءً عليه بواسطة إنزيم ، يمكن أن تتغير درجة الصوت الحلزونية. يمكن أن يوجد الحمض النووي المزدوج في الطبيعة في شكل دائري مغلق ، حيث تقع درجات السلم على أسطوانة ملتوية. يوجد DNA مزدوج الاتجاه الدائري في الميتوكوندريا للخلايا البشرية ، على سبيل المثال. الحمض النووي المزدوج في نواة الخلية هو جزيء خطي ، وهو جزيء مقيد طوبولوجيًا عن طريق الارتباط الدوري بسقالة بروتينية من أجل تحقيق تعبئة فعالة. تعني قيود التعبئة والتواء والقيود الطوبولوجية مجتمعة أن التشابك الطوبولوجي يسبب مشاكل وظيفية خطيرة للحمض النووي. قد يتداخل هذا التشابك مع عمليات الحياة الحيوية المتمثلة في النسخ المتماثل والنسخ وإعادة التركيب (Cozzarelli ، 1992) ، ويتفاقم بسببها. لاسترجاع المعلومات وصلاحية الخلية ، يجب إدخال بعض السمات الهندسية والطوبولوجية في الحمض النووي ، وأخرى تتم إزالتها بسرعة (Wang، 1982، 1985). على سبيل المثال ، قد يتطلب الالتواء الحلزوني لـ Crick-Watson للحمض النووي المزدوج فكًا محليًا لإفساح المجال لبروتين مشارك في

رفع الستارة: استخدام علم الطبولوجيا للتحقيق في العمل الخفي لنسخ إنزيمات 205 لربطه بالحمض النووي. قد يحتاج تسلسل الحمض النووي الموجود بالقرب من الجين إلى التغيير ليشمل محفزًا أو مثبطًا. أثناء النسخ المتماثل ، تتشابك جزيئات الحمض النووي المزدوجة الابنة ويجب فصلها حتى تكتمل عملية النسخ المتماثل. بعد إدخال هذه التغييرات التي تحافظ على الحياة في هندسة وطوبولوجيا الحمض النووي ، وبعد الانتهاء من العملية التي تجعل هذه التغييرات ممكنة ، يجب استعادة التشكل الأصلي للحمض النووي. تحافظ بعض الإنزيمات على الهندسة والطوبولوجيا المناسبين عن طريق تمرير أحد خيوط الحمض النووي عبر أخرى عن طريق كسر عابر مرتبط بالإنزيم في أحد خيوط الحمض النووي ، وهي حركة تقوم بها التوبيزوميراز. تقوم إنزيمات أخرى بتفكيك الحمض النووي وإعادة تجميع النهايات عن طريق تبادلها ، وهي حركة تقوم بها إعادة التركيب. يتطلب وصف وتكميم البنية ثلاثية الأبعاد للحمض النووي والتغيرات في بنية الحمض النووي بسبب عمل هذه الإنزيمات الاستخدام الجاد للهندسة والطوبولوجيا في علم الأحياء الجزيئي. توفر الهندسة والطوبولوجيا طرقًا لاستنتاج العملية الديناميكية للتحول الطوبولوجي التي يقوم بها الإنزيم. يعد هذا الاستخدام للرياضيات كأداة تحليلية لتحديد آلية الإنزيم مهمًا بشكل خاص لأنه لا توجد طريقة تجريبية لمراقبة ديناميكيات العمل الأنزيمي مباشرة. في الدراسة التجريبية لبنية الحمض النووي وآلية الإنزيم ، طور علماء الأحياء النهج الطوبولوجي للأنزيمات (Wasserman and Cozzarelli ، 1986 Sumners ، 1987b). في هذا النهج ، يجري المرء تجارب على جزيئات الحمض النووي الركيزة الدائرية. يتم هندسة جزيئات الركيزة الدائرية هذه وراثيًا عن طريق تقنيات الاستنساخ لاحتواء المناطق التي سيتعرف عليها إنزيم معين ويعمل عليها. يحبس الشكل الدائري لجزيء الركيزة توقيعًا طوبولوجيًا إنزيميًا في شكل عقدة وروابط DNA (كاتينانات). محاصرة مثل هذا التوقيع الطوبولوجي أمر مستحيل إذا استخدم المرء ركيزة دنا خطية. يتم ملاحظة عقد وروابط الحمض النووي هذه عن طريق الرحلان الكهربائي للهلام والفحص المجهري الإلكتروني لجزيئات الحمض النووي لمنتج التفاعل. من خلال مراقبة التغيرات في الهندسة (الالتفاف الفائق) والطوبولوجيا (العقد والربط) في الحمض النووي الناجم عن إنزيم ، يمكن وصف آلية الإنزيم وتحديد حجمها. يعطي الشكل 8.1 أ مخططات بروتوكول الأنزيم الطوبولوجي ، ويمثل الصندوق الأسود التفاعل الديناميكي الذي يرتبط فيه الإنزيم بركيزة الحمض النووي ، ويفككها ويعيد الاتصال حسب الضرورة ، ثم يطلق منتجات الحمض النووي. النتائج النموذجية لهذا البروتوكول التجريبي

رفع الستارة: استخدام علم الطبولوجيا لاكتشاف التأثير الخفي للأنزيمات 206 هي نواتج التفاعل المعروضة في الشكلين 8.1 ب و 8.1 ج. يوضح الشكل 8. 1 ب صورة مجهرية إلكترونية للحمض النووي (+) الرقم ثمانية كاتينان (كراسنو وآخرون ، 1983) ، ويظهر الشكل 8.1 ج صورة مجهرية لعقدة الحمض النووي (واسرمان وآخرون ، 1985). كلاهما نتاج إعادة تركيب Tn3 المعالجة ويتم شرحهما بالتفصيل أدناه. الشكل 8.1 (أ) النهج الطوبولوجي للأنزيمات. (ب) DNA (+) الرقم ثمانية catenane ، (ج) عقدة DNA. تمت إعادة طباعة الشكل 8.1 ب ، بإذن ، من Krasnow et al. (1983). حقوق النشر 1983 لشركة Macmillian Magazines Limited. أعيد طبع الشكل 8.c ، بإذن ، من Wasserman et al. (1985). حقوق النشر عام 1985 من قبل الجمعية الأمريكية لتقدم العلوم.


تأثير YOYO-1 على الخواص الميكانيكية للحمض النووي

YOYO-1 هي صبغة فلورية خضراء تستخدم على نطاق واسع لتصوير جزيئات DNA مفردة في محلول لدراسات الفيزياء الحيوية. ومع ذلك ، فإن السؤال حول ما إذا كان إقحام YOYO-1 يؤثر على الخواص الميكانيكية للحمض النووي لم تتم الإجابة عليه بشكل واضح. قدم المحققون بيانات متناقضة حول التغيرات في طول ثبات الحمض النووي. هنا ، نستخدم مجهر القوة الذرية لدراسة التغيرات في الخواص الميكانيكية للحمض النووي بشكل منهجي بسبب إقحام YOYO-1. قمنا أولاً بقياس طول الثبات وطول الكفاف وتوزيع زاوية الانحناء لمركب DNA-YOYO-1. نجد أن استمرار طول الحمض النووي يظل غير متأثر بإقحام YOYO-1. ومع ذلك ، يزداد طول الكفاف خطيًا بزيادة حوالي 38٪ عند التشبع الكامل بمقدار 1 YOYO-1 لكل 4 أزواج أساسية من الحمض النووي. بعد ذلك قمنا بقياس التغير في طوبولوجيا الحمض النووي الدائري المغلق المريح بعد إقحام YOYO-1. نجد أن YOYO-1 يقدم الالتفاف الفائق في DNA دائري مغلق. تشير ملاحظاتنا إلى أن إقحام YOYO-1 ينتج عنه تقويض ازدواج الحمض النووي ، ولكنه لا يغير بشكل كبير طول الثبات.


فينوجراد ، جيه ، ليبويتز ، جيه ، رادلوف ، آر ، واتسون ، آر ، وليبيس ، ب. بروك. الولايات المتحدة نات. أكاد. علوم., 53, 1104 (1965).

إسبيجو ، آر ، وكانيلو ، إي إس ، علم الفيروسات, 34, 738 (1968).

كروفورد ، إل في ، ووارنج ، إم ج. جيه مول. بيول., 25, 23 (1967).

باور ، دبليو ، وفينوجراد ، ج. جيه مول. بيول., 33, 141 (1968).

إسبيجو ، آر ، كانيلو ، إي ، وسينسهايمر ، آر إل ، بروك. الولايات المتحدة نات. أكاد. علوم., 63, 1164 (1969).

هدسون ، ب ، أوفولت ، دبليو ب ، ديفينني ، ج. ، وفينوجراد ، ج. بروك. الولايات المتحدة نات. أكاد سسي., 62, 813 (1969).

فينوجراد ، ج. ، رادلوف ، ر. ، وبرونر ، ر. البوليمرات الحيوية, 3, 481 (1965).

برونر ، ر. ، وفينوجراد ، ج. بيوكيم. بيوفيز. اكتا, 108, 18 (1965).

فيلسنفيلد ، جي ، وهيرشمان ، س. جيه مول. بيول., 13, 407 (1965).

هيرشمان ، س. زد ، وفلسنفيلد ، ج. جيه مول. بيول., 16, 347 (1966).

ليرمان ، ل. جيه مول. بيول., 3, 18 (1961).

بورجي ، إي ، وهيرشي ، أ. د. جيه مول. بيول., 3, 458 (1961).

كروثرز ، دي إم ، وزيم ، بي إتش ، جيه مول. بيول., 12, 525 (1965).

مولر ، و. ، وكروثرز ، د. جيه مول. بيول., 35, 251 (1968).


DNA topoisomerase II

DNA topoisomerase II هو إنزيم معتمد على ATP والذي يتطلب 2 جزيء ATP لكل تفاعل. إنه يعمل على الحمض النووي المزدوج الذي تقطعت به السبل ، ويقطعه وينضم إليه مرة أخرى. يريح Topo II الالتفاف الإيجابي في الحمض النووي حقيقي النواة.

يوجد نوع خاص واحد من DNA topoisomerase II الموجود في بدائيات النوى المسمى "DNA gyrase" والذي يقدم الالتفاف الفائق في الحمض النووي البكتيري. يؤدي DNA gyrase وظيفتي الإفراج وكذلك إدخال الالتفاف الفائق السلبي في الحمض النووي البكتيري.

رصيد الصورة: "البيولوجيا الجزيئية للجين" ، الطبعة السابعة لواتسون. تمثل الصورة كيفية قيام topoisomerase II بقطع dsDNA وإرخائها.

يتم تنفيذ وظيفة أخرى مهمة بواسطة topoII ، وهي catenation و de-catenation. تخيل حلقتين مرتبطتين. يتم تجميع جزيئات الحمض النووي بنفس الطريقة. هنا ، قطع توبويزوميراز dsDNA وفصله عن الاسترخاء. علاوة على ذلك ، فإنه يسلط الحمض النووي المنفصل عن الالتفاف الفائق.

رصيد الصورة: "البيولوجيا الجزيئية للجين" ، الطبعة السابعة لواتسون. تمثل الصورة تسلسلًا وفكًا.

تعتبر عملية فك التشابك عملية مهمة للغاية لأنها تسمح بفصل جزيء الحمض النووي إلى خليتين ابنتيتين ، بعد النسخ المتماثل.


طوبولوجيا الحمض النووي

جزيء الحمض النووي هو حلزون مزدوج يتكون من سلسلتين بوليمريتين ، والتي تتكون من وحدات أحادية ، نيوكليوتيدات. يتكون النيوكليوتيد من ثلاثة أجزاء: مجموعة فوسفات وسكر وقاعدة. تشكل مجموعة الفوسفات والسكر العمود الفقري للسكر والفوسفات من كلا الخيطين ، لذلك يتكون الحمض النووي من خيطين من فوسفات السكر ترتبط بهما القواعد. كما هو معروف ، هناك أربع قواعد - A ، T ، G ، C - وهي تشكل أزواجًا: أزواج مع أزواج T و G مع C. يؤدي هذا الاقتران إلى تكوين اللولب المزدوج: يتم تلدين خيطين بواسطة AT و أزواج GC لتشكيل مزدوج. من المهم أيضًا ملاحظة أن كل خصلة لها اتجاه كيميائي وفي اللولب المزدوج يكونان مضادين للتوازي: يذهب أحدهما في اتجاه واحد ، بينما يذهب الآخر في الاتجاه المعاكس.

نموذج DNA مزدوج الشريطة

افترض واطسون وكريك نموذج الحمض النووي مزدوج الشريطة في عام 1953 ، وكان يمثل بداية حقبة جديدة من البيولوجيا الجزيئية ولاحقًا للتكنولوجيا الحيوية. كانت هذه بداية علم الأحياء الحديث - اكتشاف الحلزون المزدوج. في البداية ، لم يعتنق الجميع النموذج. لكن سرعان ما أصبح واضحًا للعديد من الباحثين أن هذا النموذج كان حقيقة واقعة. على الرغم من أنه لم يكن مبنيًا على أساس متين تمامًا ، وفي الأصل ، لم يكن محددًا بشكل لا لبس فيه ، فقد آمن به كثير من الناس.

وذلك عندما بدأ الإيمان بالنموذج والاهتمام بإجراء المزيد من الأبحاث. في النهاية ، تم إثبات النموذج الأصلي لـ Watson-Crick ، ​​لكنه حدث بعد 30 عامًا بعد الاكتشاف الأولي. الدليل الأكثر مباشرة على أي بنية جزيئية هو تصوير البلورات بالأشعة السينية.

هياكل الحمض النووي البديلة

أول بنية DNA محددة - لجزيئات الحمض النووي القصيرة التي تم فحصها باستخدام علم البلورات بالأشعة السينية & # 8211 أثبتت أنها ليست الحلزون المزدوج لـ Watson-Crick. يسمى الحلزون المزدوج Watson-Crick تقنيًا بالحمض النووي من النوع B. ومع ذلك ، عندما حدد أليكس ريتش ومجموعته في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بنية أول جزيء DNA قصير يتكون فقط من 6 أزواج قاعدية ، ودهشتهم ، اتضح أنها بنية مختلفة تمامًا. لم يكن لولبًا أيمنًا ، بل لولبًا أعسرًا وكان هناك العديد من الاختلافات الأخرى أيضًا. كانت بنية الحمض النووي التي حددوها تسمى Z-DNA. لذلك ، هناك بعض الهياكل البديلة للحمض النووي بخلاف الحمض النووي لـ Watson-Crick. لاحقًا ، فهم الباحثون أن ما حدث كان بسبب تسلسل خاص جدًا ، وفي ظل ظروف خاصة جدًا. وبالنسبة لهذا التسلسل من الحمض النووي في ظل هذه الظروف ، يتبنى الحمض النووي بنية مختلفة. تم حل بنية الشكل B عن طريق علم البلورات بالأشعة السينية بعد ذلك بوقت قصير. في الخلية ، يكون الحمض النووي في الغالب في الشكل B على الرغم من أن بعض التسلسلات الخاصة تشكل هياكل مختلفة قليلاً حتى في ظل الظروف العادية. هذا الهيكل المختلف يسمى B’-form. لديها بعض الفروق من B-DNA. عادة ، يتجاهل الناس هذه الحقيقة ، لكن في الواقع ، بعض المناطق في الحمض النووي ليست بالضبط في شكل ب.

الالتفاف الفائق للحمض النووي

ينشأ الالتفاف الفائق للحمض النووي في الغالب في الخلايا بدائية النواة ، في البكتيريا ، لأنه في حقيقيات النوى مثل البشر والكائنات الأخرى متعددة الخلايا ، تكون جزيئات الحمض النووي خطية وطويلة جدًا أيضًا: لها نهايات وليست دائرية. على النقيض من ذلك ، في بدائيات النوى ، يكون الحمض النووي دائريًا دائمًا ، وبالتالي فإن هذه الدائرة تؤدي إلى الكثير من الخصائص المختلفة للحمض النووي ، فهي تؤدي إلى فكرة طوبولوجيا الحمض النووي. هذا لأنه عندما يكون لديك جزيء دائري ، فإنه يمكن أن يشكل التفافًا فائقًا ويمكنه تكوين عقدة ، لذا فإن تعميم الحمض النووي في الخلايا يؤدي إلى خصائص مختلفة للحمض النووي.

هيكل الحمض النووي الحلزون المزدوج (wikipedia.org)

تلعب الطوبولوجيا ، أو كما يمكنك تسميتها ، الطوبولوجيا الزائفة ، دورًا مهمًا في الحمض النووي الخطي أيضًا. إذا لم يكن الحمض النووي دائريًا ، ولكنه طويل جدًا ، فإنه يتصرف في كثير من النواحي كما لو كان دائريًا. وبالتالي ، فإن القضايا الطوبولوجية مهمة جدًا في كل من بدائيات النوى وحقيقيات النوى. يتم التأكيد على هذا من خلال حقيقة أن هناك إنزيمات خاصة تسمى توبويزوميراز ، والتي تغير طوبولوجيا الحمض النووي. إنها موجودة في حقيقيات النوى وبدائيات النوى ، وإذا قمت بإغلاق أو إسكات جينات الإيزوميراز العلوي في حقيقيات النوى ، فستتوقف جميع العمليات الرئيسية ، مثل النسخ والنسخ ، في الخلية. يوضح هذا أهمية الخصائص الطوبولوجية ، أو الخصائص الطوبولوجية الزائفة ، في الخلايا حقيقية النواة.

التوبويزوميراز ووظائفها

تعد Topoisomerases ضرورية للتكرار الطبيعي ، لأنه في أي عملية تنطوي على فصل السلاسل التكميلية للحمض النووي ، تظهر مشكلة الالتفاف الفائق على الفور. عندما تفصل بين الخيوط ، فإنك تفكك الحمض النووي. نظرًا لأن الحمض النووي عبارة عن حلزون مزدوج وهو حلزون شديد الجرح ، فعندما تفصل الخيوط وتفك هذه المنعطفات ، فإن هذا الفك يغير الالتفاف الفائق في الحمض النووي مزدوج الشريطة قبل شوكة النسخ المتماثل. وبالتالي ، إذا لم تقم بإزالة الالتفاف الفائق ، فإن النسخ المتماثل يتوقف فقط ، ولا يمكنه الاستمرار. يحدث هذا مع النسخ وكذلك النسخ. تمت دراسة كل هذا جيدًا ، وتم توضيح تكوين الالتفاف الفائق الإيجابي والسلبي وإزالة الالتفاف الفائق في كلتا العمليتين ، النسخ المتماثل والنسخ.

في حالة حقيقيات النوى ، إنها نفس القصة. على الرغم من كونها بالمعنى الدقيق للكلمة ، فهي ليست طوبولوجيا لأن الجزيئات خطية ومن حيث المبدأ يمكن أن تخفف من الالتفاف الفائق ، إذا كان بإمكانك الانتظار لفترة طويلة بما يكفي. لكن الخلايا لديها حمض نووي طويل جدًا ، ومن أجل استرخاء كل الالتواء الفائق ، ستحتاج إلى تدوير الجزيء عدة مرات ، وهذا أمر مستحيل في بيئة "مزدحمة" داخل الخلية. In reality, although there is no strict notion of topology for linear DNAs (it is pseudo-topology), the relaxation of supercoiling cannot happen in the reasonable time scale within the cell. Thus, the cell accelerates this process using topoisomerases and deals with DNA as if it were circular.

If eukaryotes didn’t use topoisomerases, they couldn’t have long genomes and having long genomes is, of course, crucial for the eukaryotes’ evolution.

If we talk about how something was discovered and not about how things exist in nature we are mostly talking about prokaryotes because there, at least with circular DNA, you can study it in a test tube, where there is no crowded situation. This way it proved to be much easier to study the enzymes and their properties dealing with circular DNA. To understand the mechanisms of topoisomerases’ actions, short circular DNA molecules were used. It is not even bacterial DNA, which is also too long, but short circular molecules that were used to figure out how topoisomerases work. When you already know what these enzymes do, you can just knock out the corresponding genes and see what happens. This is how the importance of topoisomerases for eukaryotic cells was proved.

Current research

Over the years we have learned a lot about DNA topology and many important questions have been resolved. One thing that has been discovered already 20 years ago, was that these topoisomerases, at least some of them, which work on double-stranded DNA, are actually capable of disentangling DNA molecules. They disentangle knots and they disentangle molecules that are linked to each other. That was a very interesting discovery and it is still an issue under investigation because it is not totally clear how an enzyme, which is much smaller than circular DNA itself, can distinguish between knotted molecule and unknotted molecule. But the fact is that somehow it disentangles knots. In the area of DNA topology theory actually plays a crucial role. Currently, studies are mostly theoretical on the ability of so-called topoisomerase type 2 to disentangle knots. There are other issues which are being studied but, in principle, many questions in this area have already been understood, so we know a lot about topoisomerases, about their structure, and we know in detail how these molecules work. It is an extremely interesting area.

Future perspectives

Of course, there are still open questions left. The main one is how DNA topology influences gene expression in eukaryotes. It has been a long story for many years: there were indications that there are so-called topological domains exist in DNA. It is also thought that DNA in the chromosome is arranged in the form of loops, which are not circular DNA but behave exactly like circular DNA since these loops are somehow locked by special proteins. These proteins are important for the formation of domains since they do not allow two DNA parts to rotate around each other and in this respect, a pseudo-circular DNA domain is formed. This domain can be supercoiled, topoisomerases can work on it and so forth.

Eukaryotic Chromosomal Structure (wikipedia.org)

For many researchers, it looked very attractive that such domains could be regulated with respect to supercoiling, and depending on supercoiling, gene expression may be affected. This issue has been raised many times in the literature and by different authors but there is still no clear answer to whether it is true, whether such domains are real. Another unresolved issue is that we know very little about the chromosomal organization, apart from nucleosomes. Nucleosomes provide a very generic organization of DNA in the chromosome, but it is only very first level of DNA organization within chromosomes. We still don’t know about higher levels of DNA compactization in chromosomes. It is very hard to study chromatin because it is a very unstable, changing entity. So in the future, we may have some fantastic discoveries in this respect if somebody is able to really pinpoint this issue of topological domains. It is a possibility but it has not yet been proven and studied properly because it is very hard to study. This is an open question and from time to time, a new generation of molecular biologists try to attack this issue but there is still no clear answer.


Primary structure consists of a linear sequence of nucleotides that are linked together by phosphodiester bond. It is this linear sequence of nucleotides that make up the primary structure of DNA or RNA. Nucleotides consist of 3 components:

The nitrogen bases adenine and guanine are purine in structure and form a glycosidic bond between their 9 nitrogen and the 1' -OH group of the deoxyribose. Cytosine, thymine, and uracil are pyrimidines, hence the glycosidic bonds form between their 1 nitrogen and the 1' -OH of the deoxyribose. For both the purine and pyrimidine bases, the phosphate group forms a bond with the deoxyribose sugar through an ester bond between one of its negatively charged oxygen groups and the 5' -OH of the sugar. [2] The polarity in DNA and RNA is derived from the oxygen and nitrogen atoms in the backbone. Nucleic acids are formed when nucleotides come together through phosphodiester linkages between the 5' and 3' carbon atoms. [3] A nucleic acid sequence is the order of nucleotides within a DNA (GACT) or RNA (GACU) molecule that is determined by a series of letters. Sequences are presented from the 5' to 3' end and determine the covalent structure of the entire molecule. Sequences can be complementary to another sequence in that the base on each position is complementary as well as in the reverse order. An example of a complementary sequence to AGCT is TCGA. DNA is double-stranded containing both a sense strand and an antisense strand. Therefore, the complementary sequence will be to the sense strand. [4]

Complexes with alkali metal ions Edit

There are three potential metal binding groups on nucleic acids: phosphate, sugar, and base moieties. Solid-state structure of complexes with alkali metal ions have been reviewed. [6]

DNA Edit

Secondary structure is the set of interactions between bases, i.e., which parts of strands are bound to each other. In DNA double helix, the two strands of DNA are held together by hydrogen bonds. The nucleotides on one strand base pairs with the nucleotide on the other strand. The secondary structure is responsible for the shape that the nucleic acid assumes. The bases in the DNA are classified as purines and pyrimidines. The purines are adenine and guanine. Purines consist of a double ring structure, a six-membered and a five-membered ring containing nitrogen. The pyrimidines are cytosine and thymine. It has a single ring structure, a six-membered ring containing nitrogen. A purine base always pairs with a pyrimidine base (guanine (G) pairs with cytosine (C) and adenine (A) pairs with thymine (T) or uracil (U)). DNA's secondary structure is predominantly determined by base-pairing of the two polynucleotide strands wrapped around each other to form a double helix. Although the two strands are aligned by hydrogen bonds in base pairs, the stronger forces holding the two strands together are stacking interactions between the bases. These stacking interactions are stabilized by Van der Waals forces and hydrophobic interactions, and show a large amount of local structural variability. [7] There are also two grooves in the double helix, which are called major groove and minor groove based on their relative size.

RNA Edit

The secondary structure of RNA consists of a single polynucleotide. Base pairing in RNA occurs when RNA folds between complementarity regions. Both single- and double-stranded regions are often found in RNA molecules.

The four basic elements in the secondary structure of RNA are:

The antiparallel strands form a helical shape. [3] Bulges and internal loops are formed by separation of the double helical tract on either one strand (bulge) or on both strands (internal loops) by unpaired nucleotides.

Stem-loop or hairpin loop is the most common element of RNA secondary structure. [8] Stem-loop is formed when the RNA chains fold back on themselves to form a double helical tract called the 'stem', the unpaired nucleotides forms single stranded region called the 'loop'. [9] A tetraloop is a four-base pairs hairpin RNA structure. There are three common families of tetraloop in ribosomal RNA: UNCG, GNRA، و CUUG (ن is one of the four nucleotides and ص is a purine). UNCG is the most stable tetraloop. [10]

Pseudoknot is a RNA secondary structure first identified in turnip yellow mosaic virus. [11] Pseudoknots are formed when nucleotides from the hairpin-loop pair with a single stranded region outside of the hairpin to form a helical segment. H-type fold pseudoknots are best characterized. In H-type fold, nucleotides in the hairpin-loop pair with the bases outside the hairpin stem forming second stem and loop. This causes formation of pseudoknots with two stems and two loops. [12] Pseudoknots are functional elements in RNA structure having diverse function and found in most classes of RNA.

Secondary structure of RNA can be predicted by experimental data on the secondary structure elements, helices, loops, and bulges. DotKnot-PW method is used for comparative pseudoknots prediction. The main points in the DotKnot-PW method is scoring the similarities found in stems, secondary elements and H-type pseudoknots. [13]

Tertiary structure refers to the locations of the atoms in three-dimensional space, taking into consideration geometrical and steric constraints. It is a higher order than the secondary structure, in which large-scale folding in a linear polymer occurs and the entire chain is folded into a specific 3-dimensional shape. There are 4 areas in which the structural forms of DNA can differ.

  1. Handedness – right or left
  2. Length of the helix turn
  3. Number of base pairs per turn
  4. Difference in size between the major and minor grooves [3]

The tertiary arrangement of DNA's double helix in space includes B-DNA, A-DNA, and Z-DNA.

B-DNA is the most common form of DNA in vivo and is a more narrow, elongated helix than A-DNA. Its wide major groove makes it more accessible to proteins. On the other hand, it has a narrow minor groove. B-DNA's favored conformations occur at high water concentrations the hydration of the minor groove appears to favor B-DNA. B-DNA base pairs are nearly perpendicular to the helix axis. The sugar pucker which determines the shape of the a-helix, whether the helix will exist in the A-form or in the B-form, occurs at the C2'-endo. [14]

A-DNA, is a form of the DNA duplex observed under dehydrating conditions. It is shorter and wider than B-DNA. RNA adopts this double helical form, and RNA-DNA duplexes are mostly A-form, but B-form RNA-DNA duplexes have been observed. [15] In localized single strand dinucleotide contexts, RNA can also adopt the B-form without pairing to DNA. [16] A-DNA has a deep, narrow major groove which does not make it easily accessible to proteins. On the other hand, its wide, shallow minor groove makes it accessible to proteins but with lower information content than the major groove. Its favored conformation is at low water concentrations. A-DNAs base pairs are tilted relative to the helix axis, and are displaced from the axis. The sugar pucker occurs at the C3'-endo and in RNA 2'-OH inhibits C2'-endo conformation. [14] Long considered little more than a laboratory artifice, A-DNA is now known to have several biological functions.

Z-DNA is a relatively rare left-handed double-helix. Given the proper sequence and superhelical tension, it can be formed in vivo but its function is unclear. It has a more narrow, more elongated helix than A or B. Z-DNA's major groove is not really a groove, and it has a narrow minor groove. The most favored conformation occurs when there are high salt concentrations. There are some base substitutions but they require an alternating purine-pyrimidine sequence. The N2-amino of G H-bonds to 5' PO, which explains the slow exchange of protons and the need for the G purine. Z-DNA base pairs are nearly perpendicular to the helix axis. Z-DNA does not contain single base-pairs but rather a GpC repeat with P-P distances varying for GpC and CpG. On the GpC stack there is good base overlap, whereas on the CpG stack there is less overlap. Z-DNA's zigzag backbone is due to the C sugar conformation compensating for G glycosidic bond conformation. The conformation of G is syn, C2'-endo for C it is anti, C3'-endo. [14]

A linear DNA molecule having free ends can rotate, to adjust to changes of various dynamic processes in the cell, by changing how many times the two chains of its double helix twist around each other. Some DNA molecules are circular and are topologically constrained. More recently circular RNA was described as well to be a natural pervasive class of nucleic acids, expressed in many organisms (see CircRNA).

A covalently closed, circular DNA (also known as cccDNA) is topologically constrained as the number of times the chains coiled around one other cannot change. This cccDNA can be supercoiled, which is the tertiary structure of DNA. Supercoiling is characterized by the linking number, twist and writhe. The linking number (Lk) for circular DNA is defined as the number of times one strand would have to pass through the other strand to completely separate the two strands. The linking number for circular DNA can only be changed by breaking of a covalent bond in one of the two strands. Always an integer, the linking number of a cccDNA is the sum of two components: twists (Tw) and writhes (Wr). [17]

Twists are the number of times the two strands of DNA are twisted around each other. Writhes are number of times the DNA helix crosses over itself. DNA in cells is negatively supercoiled and has the tendency to unwind. Hence the separation of strands is easier in negatively supercoiled DNA than in relaxed DNA. The two components of supercoiled DNA are solenoid and plectonemic. The plectonemic supercoil is found in prokaryotes, while the solenoidal supercoiling is mostly seen in eukaryotes.

The quaternary structure of nucleic acids is similar to that of protein quaternary structure. Although some of the concepts are not exactly the same, the quaternary structure refers to a higher-level of organization of nucleic acids. Moreover, it refers to interactions of the nucleic acids with other molecules. The most commonly seen form of higher-level organization of nucleic acids is seen in the form of chromatin which leads to its interactions with the small proteins histones. Also, the quaternary structure refers to the interactions between separate RNA units in the ribosome or spliceosome. [18]


الانتماءات

School of Life Sciences, Shanghai University, Shanghai, 200444, China

The Center for Microbes, Development and Health, CAS Key Laboratory of Molecular Virology & Immunology, Institut Pasteur of Shanghai, Chinese Academy of Sciences, Shanghai, 200031, China

Zhaoning Wang, Weiwei Wang & Lanfeng Wang

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

المؤلف المراسل


شاهد الفيديو: محاضرة عملي7 بناء الطبولوجيا فديو 1من 2 GIS Topology (قد 2022).


تعليقات:

  1. Paxtun

    برافو ، فكرتك رائعة فقط

  2. Takoda

    شكرا جزيلا لك للمساعدة في هذا السؤال. لم أكن أعلم أنه.

  3. Izaan

    الرسالة الاستبدادية :) ، بشكل مغر ...

  4. Akinorn

    شكرا على المعلومه.

  5. Hanley

    إنه لأمر مؤسف أنني لا أستطيع التحدث الآن - أنا مشغول جدًا. سيتم إطلاق سراحي - سأعبر عن رأيي بالتأكيد.

  6. Treoweman

    أجد أنك لست على حق. أنا متأكد. اكتب في رئيس الوزراء.

  7. Chapin

    بالمناسبة ، هذا الفكر الجيد جدًا يحدث الآن



اكتب رسالة